CC BY
14
УДК 543.812.08/15
Г.В. Шувалов, О.А. Ясырова
СГГА, Новосибирск
РАЗРАБОТКА БАРБОТАЖНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
G.V. Shuvalov, O.A. Jasyrova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
DEVELOPMENT BARBOTAZHNOGO METHOD OF THE DETERMINATION TO DENSITY OF THE FLUID AMBIENCES
In work is considered modification agitation-bubble method of the determination to density of the fluid ambiences. The Particularity of the specified method is that information on differences гидростатических pressures leaves not in the manner of evidences of the manometer, but in the manner of amount пузырьков air, coming out of measuring tube, proportional difference of the pressures - bubble-agitation method. The Advantage of this method is a transformation unceasing неэлектрической values - a differences of the pressures -in the sequence of the discrete count пузырьков air under agitation him(it) through under investigation liquid.
Плотность следует считать универсальным и наиболее доступным для измерения качественным показателем жидкостей. Ее измерение позволяет контролировать многие технологические процессы, сортировать жидкости и вести их массовый учет. Поэтому возникает необходимость в разработке новых средств измерения плотности, обеспечивающих необходимую точность и быстроту измерения, а также доступных по цене для отечественного потребителя [1-3].
На практике этот параметр в большинстве случаев подлежит обязательному определению. Однако рекомендуемые стандартные приборы, хотя и обеспечивают необходимую точность по своему конструктивному и аппаратному исполнению устарели, к тому же для определения плотности требуются лабораторные условия, что возможно не всегда в местах подготовки и применения жидкостей. Поэтому актуальной является задача оперативного определения плотности. В трудах И.П. Глыбина, Л.А. Залманзона, С.С. Кивилис, В.И. Лаптева, Д.М. Мордасова проанализированы основные методы и приборы для определения плотности. Большинство из перечисленных методов имеют существенные недостатки, основные из которых - значительные затраты труда и времени. В то же время часто возникает необходимость проведения измерений плотности вне лаборатории в полевых условиях. Это обусловливает необходимость создания современных экспресс-методов определения плотности жидкостей, в связи, с чем разработке и исследованию новых принципов измерения, созданию конструкций приборов, основанных на этих принципах, уделяется все большее внимание.
В связи с этим целью данной работы является разработка экспресс-метода определения плотности жидких сред.
Одним из перспективных методов измерения плотности жидких сред, удовлетворяющим вышеизложенным требованиям, можно считать барботажный, который известен, но не нашел широкого применения из-за ряда технических трудностей при его реализации, в частности необходимостью измерения малых разностей давлений.
В настоящей работе рассматривается модификация данного метода, применительно к определению плотности нефтепродуктов. Особенностью указанного метода является то, что информация о разности гидростатических давлений снимается не в виде показаний манометра, а в виде количества пузырьков воздуха, выходящих из измерительных трубок, пропорционального разности давлений - пузырьково-барботажный метод. Преимуществом этого метода является преобразование непрерывной неэлектрической величины - разности давлений - в последовательность дискретного счета пузырьков воздуха при барботаже его через исследуемую жидкость.
Одним из наиболее простых способов образования пузырьков является вдувание газа в неподвижную жидкость через обращенное вверх круглое отверстие (рис. 1).
Принимая, что в отверстии находится пузырек сферической формы, рассчитан размер пузырька при малых расходах газа. В данной системе на пузырек действуют силы: - Сила тяжести
Рис. 1. Образование газового пузыря
4 з
= Рг8, (1)
где я - радиус пузырька, м;
-5
рг - плотность газа, кг/м ;
л
g - ускорение свободного падения, м/с
- Сила Архимеда
(2)
-5
где р - плотность жидкости, кг/м ;
- Сила поверхностного натяжения
= ж/сг
К*)
где с1 - диаметр выходного отверстия трубки, м; <т - поверхностное натяжение жидкости, Н/м.
Наибольший радиус пузырька определяется из условия статистического равновесия сил, действующих на него в момент отрыва от трубки
Р + Р = Р 1 1 ^ 1 3 1 2
(4)
я =
Зб/сг
4 {Р-Ра)£
(5)
Из выражения (5) следует, что размер пузырька в случае работы барботажной системы в режиме одиночных пузырей зависит от диаметра выходного отверстия, поверхностного натяжения, плотностей жидкости и газа, ускорения свободного падения.
Уравнение для давления газа в пузырьке, соответствующее режиму статического равновесия имеет вид
Р, = Р,, +
2а_
Я
(6)
где Рг - давление газа в пузырьке, Рж - давление жидкости на пузырек.
Далее рассмотрена система, состоящая из двух измерительных трубок, помещенных в исследуемую жидкость (рис. 2).
В трубки под избыточным давлением подается воздух от компрессора так, чтобы он барботировался через измерительные трубки. Очевидно, что
1
3
для проведения счета пузырьков необходимо, чтобы соблюдался режим одиночных пузырей. Для него принимаются следующие допущения:
- Форма пузырьков газа, отрывающихся от выходного отверстия и движущихся в жидкости, - сферическая; условие сферичности записывается следующим образом: ReM"23<i, где Re - число Рейнольдса, M = gjuA/рс>3 -критерий, характеризующий физические свойства жидкости);
- Пузырьки газа после ускорения на очень коротком пути (доли миллиметра) поднимаются в слое жидкости прямолинейно, вертикально и с постоянной скоростью (для данной жидкости, газа, диаметра пузырька);
- Диаметр пузырьков не зависит от расхода газа, а определяется параметрами барботажной системы, при увеличении расхода газа уменьшаются расстояния между отдельными пузырьками.
Рис. 2. Измерительная система для определения плотности жидкости Давление газа в пузырьке на конце трубки в момент отрыва равно
где Ра - атмосферное давление;
ст - поверхностное натяжение жидкости;
Я1 - радиус пузырька из трубки;
кг - глубина погружения трубки. Изменение давления газа в пузырьке
h
h2
1 г
где а1 - коэффициент расхода газа;
-5
Уп - объем пузырька газа, м ;
V, - частота следования пузырьков, с"1.
Для ламинарного течения газа коэффициент расхода определяется по формуле
ж/'
(10)
а =
\2SjuJ
г /
где /иг - вязкость газа, Па-с; I - длина трубки, м.
Таким образом, для двух трубок погруженных в жидкость на разную глубину
1
V,
' "УМ, )
(11)
Решив совместно уравнения (11) для двух трубок, приняв, что = ¿/2 и Р» Рг ■> получим
Р =
а2у2 - а, к.
у,
(12)
Учитывая (5)
п 0
з Рё
(13)
Подставив (13) в (12), получено искомое выражение для плотности:
^ (а2У2 -а} V, )с1ст ^2
. (14)
Таким образом, получена зависимость плотности исследуемой жидкости с числом пузырьков газа (воздуха), выпускаемых в нее в одиночном режиме из двух измерительных трубок.
По выведенной формуле (14) построены графики зависимости плотности от переменных величин, характеризующих свойства жидкости и параметры конструкции измерительной ячейки (диаметры и длина измерительных трубок, разность глубин их погружения в исследуемую жидкость).
На рис. 3 представлена зависимость плотности жидкости от диаметра трубок.
На рис. 4 изображена зависимость плотности от длины измерительных трубок.
Р.
КГ/мз
800
600
400
200
-
-
/ —- г с14
0 100 200 300 400
Ду, Гц
Рис. 3. Зависимость плотности от диаметра трубок: dl = 0,4 мм, d2 = 0,5 мм, dз
= 0,8 мм, d4 = 1 мм
Р. 800
600
400
200
-
- »2
- 1,
/ >
- ¡А/^
00 100 200 300 400 500
Ду, Гц
Рис. 4. Зависимость плотности от длины трубок: = 0,1 м, 12 = 0,3 м, 13 = 0,5
м
На рис. 5 представлена зависимость плотности исследуемой жидкости от разницы глубин погружения измерительных трубок в исследуемую жидкость.
р, КГ/мз
800 600 400 200 0
О 100 200 300 400
Ау, ГЦ
Рис. 5. Зависимость плотности от разницы глубин погружения трубок: А/\ =
0,01 м, М2 = 0,05 м, А/г3 = 0,08 м
Из анализа приведенных зависимостей следует: - Изменение диаметра трубок наиболее сильно влияет на информативный параметр метода - разность частот следования пузырей (рис.
2). Учитывая то, что верхняя граница частоты ограничена величиной примерно 400 Гц, диаметр трубок целесообразно выбирать 0,3-0,5 мм;
- Влияние длины трубок на разность частот следования пузырей
незначительно;
- Разницу глубин погружения трубок целесообразно выбирать в
диапазоне 10-20 мм;
- Величина поверхностного натяжения жидкости (для нефтепродуктов) существенно не влияет на измерение плотности предлагаемым методом.
Таким образом, в результате теоретического рассмотрения физических процессов при барботаже получено уравнение для определения плотности с использованием разницы частот пузырьков воздуха, выходящих из измерительных трубок. С использование этого уравнения проведен анализ влияния различных факторов на точность измерения, а также оценка границ применения метода относительно разницы частот следования пузырей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лебедев, О.Н. Судовые энергетические установки и их эксплуатация / О.Н.
Лебедев, С.А.Калашников. - М.: Транспорт, 1987.- 336 с. 2. Лебедев, О.Н. Теоретические основы процессов смесеобразования в дизелях / О.Н. Лебедев, Чирков. - Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 1999. - 200 с. 3. Лебедев, О.Н. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях / О.Н. Лебедев, В.А.
Сомов, В.Д. Сисин. - Л.: Судостроение, 1988. - 108 с.
О Г.В. Шувалов, O.A. Ясырова, 2QQ9
